Місто Кокон - це літаюча утопія, яка плаває високо над небом, відокремлена від світу, який нижче відомий як Пульс. Він був створений з метою захистити людей від фаль-Сі, таємничих істот, які живуть на Пульсі. Але час від часу фаль-Сі знаходять способи зв'язатися з жителями Кокона, перетворюючи їх на "Л-Ci" - сприймаються людьми як раби фаль-Сі, яким судилося виконати їх доручення. Уряд Коконів, Санктум, використовує власну спеціалізовану армію, відому як ПСІКОМ, для "очищення" громадян, яких підозрюють у тому, що вони стали "Л-Сі", і виганяє їх з Кокона.
Колишній солдат Кокона на ім'я Блискавка шукає свою сестру Серу, яку заклеймили як Л-Сі. Її наречена Сноу, лідер групи повстанців, яка виступає проти "Чистки", зустрічається з Блискавкою та кількома іншими супутниками, коли вони вирушають у житло фаль-Сі, щоб врятувати Серу. Однак, виконавши свою невідому місію від фаль-Сі, Сера перетворюється на кристал. Її останні слова до Блискавки та Сноу- "рятуй Кокон". Вирішивши з'ясувати, чого саме фаль-Сі хотіли від Сери, герої намагаються зв'язатися з фаль-Сі, і в результаті перетворюються у Л-Сі - не знаючи, як може закінчиться їх місія ...
Final Fantasy XIII відмовляється від попередньої концепції битв, що відбуваються на тому самому екрані, що і розвідка, натомість повертаючись до старих окремих бойових екранів, викликаних контактом з ворогом на полі, як у іграх Xenosaga. Система Active Time Battle із попередніх ігор Final Fantasy повертається з деякими змінами. Гравець керує лише одним персонажем у бою. Двом іншим слід призначити моделі поведінки, які називаються парадигмами. Команди та атаки тепер можна складати в бойові слоти, що дозволяє використовувати кілька команд в один хід для руйнівного комбінування. Ці команди заповнюються на основі вартості ATB, що позбавляє потреби в MP. Крім того, здоров’я всієї партії відновлюється перед кожним боєм, оскільки магія не може використовуватися поза боєм. Позиви, які популярні у серії FF, повертаються з назвою "Ейдолони", і у кожного Л-Сі є одне. Зростання персонажа управляється за допомогою системи, що називається Crystarium, з можливістю вибору гравцем здібностей до навчання або збільшення параметрів.